JP7659450B2 - Imaging device and imaging method - Google Patents
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Description
本発明は、撮像装置及び撮像方法に関し、特に、圧縮センシングを利用した超解像を行う撮像装置及び撮像方法に関する。 The present invention relates to an imaging device and imaging method, and in particular to an imaging device and imaging method that perform super-resolution imaging using compressed sensing.
超解像技術は、低画素の画像から高画素の画像を作り出す技術であり、4Kや8K技術の発展に伴い、高解像度化に対応するためにさまざまなデジタルデバイスで利用される技術である。その手法も多様であるが、一般的なものとして、低解像度の画像を複数用意し、サブピクセルレベルで位置合わせをすることで高解像度の画像データを作る手法が挙げられる。例えば32×32画素の画像を縦横に半画素ずつずらしてサンプリングした4枚の画像があれば、64×64画素の画像を生み出すことができる。多画素化に伴いカメラ(撮像素子)の画素サイズの微細化が光の回折限界によって制限されるほど進んでいるため、撮像においても超解像技術が近年発達している。 Super-resolution technology is a technology that creates high-pixel images from low-pixel images, and is used in various digital devices to support the increasing resolution of 4K and 8K technologies as they develop. There are many different methods, but a common one is to create high-resolution image data by preparing multiple low-resolution images and aligning them at the sub-pixel level. For example, if you have four images that are sampled by shifting a 32 x 32 pixel image vertically and horizontally by half a pixel, you can create an image with 64 x 64 pixels. As the number of pixels increases, the pixel size of cameras (image sensors) has become so fine that it is restricted by the diffraction limit of light, and so super-resolution technology has also developed in imaging in recent years.
前述のように、超解像では高解像度化の程度によって低解像度画像を複数枚必要とするため、撮像においてはフレームレートの低下が問題となる。そのため、少ない低解像度画像から圧縮センシング(Compressive Sensing)によって超解像された高解像度画像を生成する手法が提案されている。画像の場合には、DCT(Discrete Cosine Transform,離散コサイン変換)やDWT(Discrete Wavelet Transform,離散ウェーブレット変換)といった処理をすることで情報を圧縮できることが知られているように、何らかの基底によりスパース(疎)な空間に変換することができるため、圧縮センシングを適用することが可能である。一般に連立方程式は、未知数以上の条件式が無ければ解を求めることができないのに対し、圧縮センシングにおいては、条件式数が少ない場合であっても、スパースであるという仮定の下であれば解を推定できる。画像の超解像においては、画像を1次元の信号として取り扱えば、未知数は「高解像度画像の画素数」であり、条件式数は「低解像度画像の画素数」と「異なる条件下で符号化した低解像度画像の枚数」の積とおける。解は「高解像度画像の画素値」であるが、前述したDCTやDWTによってスパースな値である「DCT成分」や「DWT成分」に変換できるため、圧縮センシングによって解を求めることができる。最後に推定解を逆DCTや逆DWTすれば、高解像度画像が再構成できる。 As mentioned above, super-resolution requires multiple low-resolution images depending on the degree of resolution, so the frame rate drops during imaging. For this reason, a method has been proposed to generate a high-resolution image super-resolved from a small number of low-resolution images using compressive sensing. As it is known that information can be compressed by processing such as DCT (Discrete Cosine Transform) and DWT (Discrete Wavelet Transform), compressed sensing can be applied because the image can be transformed into a sparse space using some basis. In general, simultaneous equations cannot be solved unless there are more conditional equations than unknowns, whereas in compressed sensing, even if the number of conditional equations is small, the solution can be estimated under the assumption that the equations are sparse. In super-resolution of images, if the image is treated as a one-dimensional signal, the unknown is the "number of pixels in the high-resolution image," and the number of conditional equations can be expressed as the product of the "number of pixels in the low-resolution image" and the "number of low-resolution images encoded under different conditions." The solution is the "pixel value of the high-resolution image," but because it can be converted into sparse values, "DCT components" and "DWT components," using the DCT and DWT mentioned above, the solution can be found using compressed sensing. Finally, by performing an inverse DCT or inverse DWT on the estimated solution, a high-resolution image can be reconstructed.
従来から、超解像処理を高性能化するために様々な提案がなされており、例えば、画素の受光感度分布をランダムにする手法が提案されている(非特許文献1)。非特許文献1では、超解像における解像度がカメラの画素形状に依存することに着目し、被写体を符号化するために画素サイズよりも細かいトナー粉をセンサー上にランダムに振りまき、被写体とカメラの相対的な位置関係を変えながら20枚の低解像度画像(120×100)を撮影し、DWTによるスパース性を使った圧縮センシングによって、高解像度画像(1600×1200)を生成している。本手法では、トナー粉のサイズと、カメラの位置シフト量が再構成される高解像度画像の画素数を決定している。
Various proposals have been made to improve the performance of super-resolution processing, for example, a method of randomizing the distribution of light sensitivity of pixels has been proposed (Non-Patent Document 1). In
DMD(デジタルマイクロミラー)にランダムなパターンを表示させることで、DMDに入射する画像を符号化し、超解像を行うことも提案されている(非特許文献2、非特許文献3)。非特許文献2では、縦横各64倍の超解像をしている。圧縮センシングにより、4096枚のパターン数(撮影枚数)が本来必要なのに対し、1600枚や2700枚で画像を再構成させている。また、非特許文献3では、縦横各4倍超解像を行い、パターン数が1枚から16枚までの場合についてそれぞれの再構成画像を比較している。これらの手法では、DMDの画素数(符号化パターンの解像度)が高解像度画像の画素数を決定している。 It has also been proposed to display random patterns on a DMD (digital micromirror) to encode the image incident on the DMD and achieve super-resolution (Non-Patent Documents 2 and 3). In Non-Patent Document 2, super-resolution is achieved by 64 times both vertically and horizontally. Although 4096 patterns (number of shots) would normally be required, compressed sensing reconstructs the image with 1600 or 2700 patterns. In Non-Patent Document 3, super-resolution is achieved by 4 times both vertically and horizontally, and the reconstructed images are compared for cases where the number of patterns ranges from 1 to 16. In these methods, the number of pixels of the DMD (resolution of the encoded pattern) determines the number of pixels of the high-resolution image.
しかしながら、非特許文献1の手法では、微細なトナー粉を画素上の任意位置に配置させることが難しいことに加え、事前にカメラ画素に対してどのようにトナー粉が配置されているかを調べる必要がある。ランダムにふりかけて符号化パターンを作っているため、トナー粉で全て覆われてしまう画素が発生したり、ある箇所にトナー粉が集中してしたりする場合もあるため、カメラの位置を変えて複数枚の画像を取得しても、被写体のある一部の光が全ての画像で受光できなくなり、超解像により得られた高解像画像の画質が低下したり、情報が欠損する可能性がある。また、トナー粉による符号化であり、符号化パターンが固定されており変調できないため、符号化条件を変えるためにカメラの位置を物理的に複数回移動させる必要がある。このため符号化像の取得に時間がかかり、高速化のボトルネックとなる。加えて、トナー粉により光が遮光される形での符号化であり、光の利用効率がトナー粉の量に応じて低下するという課題がある。
However, in the method of Non-Patent
非特許文献2及び非特許文献3の手法では、DMDを用いることで任意のパターンによる符号化が可能となっている。DMDはマイクロミラーが二次元に並べられたものであり、各ミラーをそれぞれON状態かOFF状態のいずれかに高速に制御できるが、符号化された光のうち、ON画素(あるいはOFF画素)の光のみをカメラで取得する。片方の光を取得するため光の利用効率はトナー粉を利用した場合と同等であり、DMDの1パターンごとに1枚の低解像度画像を取得することから、低解像度画像の取得に長時間かかってしまう。また、非特許文献1では、超解像にあたって使用される高解像度情報が、[1]画素サイズよりも細かいトナー粉(符号化パターン)及び[2]カメラの位置シフト量、と2つあったのに対し、非特許文献2及び非特許文献3ではDMDの符号化パターンのみであるという課題がある。
In the methods of Non-Patent Document 2 and Non-Patent Document 3, encoding with any pattern is possible by using a DMD. A DMD is a two-dimensional array of micromirrors, and each mirror can be controlled to be either ON or OFF at high speed, but only the light of ON pixels (or OFF pixels) of the encoded light is captured by the camera. Since only one side of the light is captured, the light utilization efficiency is the same as when toner powder is used, and one low-resolution image is captured for each pattern of the DMD, so it takes a long time to capture the low-resolution image. In addition, in Non-Patent
さらに、非特許文献2又は非特許文献3のようにDMDを用いた場合であっても、各符号化パターンをランダムなパターンとした場合には、非特許文献1のトナー粉で全て覆われた画素と同様に、特定のミラーのOFF状態が複数のパターンで重なる可能性がある。このとき、撮像対象物の情報をすべての低解像度画像で取得できず、図19に示すように画像の再構成でエラー(復元できない画素)が生じるという問題もある。
Furthermore, even if a DMD is used as in Non-Patent Document 2 or Non-Patent Document 3, if each coding pattern is a random pattern, there is a possibility that the OFF state of a particular mirror will overlap in multiple patterns, as with the pixel completely covered with toner powder in Non-Patent
したがって、上記のような問題点に鑑みてなされた本発明の目的は、任意のパターンで被写体像を光学的に符号化することができ、高速に低解像度の符号化画像を取得し、画像の再構成でエラーが生じることなく、高解像度画像を生成できる、撮像装置及び撮像方法を提供することにある。 Therefore, in consideration of the above problems, the object of the present invention is to provide an imaging device and imaging method that can optically encode a subject image in any pattern, quickly obtain a low-resolution encoded image, and generate a high-resolution image without errors in image reconstruction.
上記課題を解決するために本発明に係る撮像装置は、低解像度画像を取得し、高解像度画像を生成する撮像装置であって、撮像対象物の像を符号化パターンに基づいて空間的に強度変調する光変調器と、前記符号化パターンで符号化された前記撮像対象物の像を前記符号化パターンより解像度が低い低解像度画像として取得する第1撮像部と、前記符号化パターンを反転したパターンで符号化された前記撮像対象物の像を前記符号化パターンより解像度が低い低解像度画像として取得する第2撮像部と、少なくとも、前記低解像度画像、前記第1撮像部及び前記第2撮像部のリサンプリングの情報、及び前記符号化パターンに基づいて、圧縮センシングにより前記低解像度画像よりも高解像度の前記撮像対象物の像を生成する画像生成部と、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the imaging device according to the present invention is an imaging device that acquires a low-resolution image and generates a high-resolution image, and is characterized by comprising: an optical modulator that spatially intensity-modulates an image of an object to be imaged based on a coding pattern; a first imaging unit that acquires an image of the object to be imaged that has been coded with the coding pattern as a low-resolution image having a lower resolution than the coding pattern; a second imaging unit that acquires an image of the object to be imaged that has been coded with a pattern that is an inversion of the coding pattern as a low-resolution image having a lower resolution than the coding pattern; and an image generation unit that generates an image of the object to be imaged that has a higher resolution than the low-resolution image by compressed sensing based on at least the low-resolution image, resampling information of the first imaging unit and the second imaging unit, and the coding pattern.
また、前記撮像装置は、前記第1撮像部と前記第2撮像部が、符号化された前記撮像対象物の像と撮像部の画素の相対的な位置関係が互いに異なる状態で、それぞれ前記低解像度画像を取得することが望ましい。 It is also desirable that the imaging device acquires the low-resolution images of the first imaging unit and the second imaging unit in a state in which the relative positional relationship between the encoded image of the object to be imaged and the pixels of the imaging units is different from each other.
また、前記撮像装置は、前記第1撮像部と前記第2撮像部の一方が、符号化された前記撮像対象物の像と撮像部の画素の相対的な位置関係を、前記符号化パターンのピッチよりも小さい単位でシフトさせることが望ましい。 Furthermore, it is desirable that in the imaging device, one of the first imaging section and the second imaging section shifts the relative positional relationship between the encoded image of the imaging object and the pixels of the imaging section in units smaller than the pitch of the encoding pattern.
また、前記撮像装置は、前記第1撮像部及び前記第2撮像部の少なくとも一方に取り付けたステージにより、符号化された前記撮像対象物の像と撮像部の画素の相対的な位置関係を制御することが望ましい。 Furthermore, it is desirable that the imaging device controls the relative positional relationship between the encoded image of the object to be imaged and the pixels of the imaging units using a stage attached to at least one of the first imaging unit and the second imaging unit.
また、前記撮像装置は、前記光変調器に取り付けたステージにより、符号化された前記撮像対象物の像と撮像部の画素の相対的な位置関係を制御することが望ましい。 It is also desirable that the imaging device controls the relative positional relationship between the encoded image of the imaging object and the pixels of the imaging unit using a stage attached to the optical modulator.
また、前記撮像装置は、前記第1撮像部及び前記第2撮像部の少なくとも一方と前記光変調器との間に配置した光路変調素子により、符号化された前記撮像対象物の像と撮像部の画素の相対的な位置関係を制御することが望ましい。 Furthermore, it is desirable that the imaging device controls the relative positional relationship between the encoded image of the imaging object and the pixels of the imaging section by an optical path modulation element disposed between at least one of the first imaging section and the second imaging section and the optical modulator.
また、前記撮像装置は、前記高解像度画像が、離散コサイン変換、離散ウェーブレット変換、又は離散フーリエ変換の二次元基底関数により画素成分に変換され、前記画像生成部は、前記低解像度画像から前記高解像度画像の画素成分を推定する線形方程式を最適化問題により解を求めることで、高解像度の前記撮像対象物の像を生成することが望ましい。 It is also preferable that the imaging device converts the high-resolution image into pixel components using a two-dimensional basis function of a discrete cosine transform, a discrete wavelet transform, or a discrete Fourier transform, and the image generating unit generates a high-resolution image of the imaging object by solving a linear equation that estimates the pixel components of the high-resolution image from the low-resolution image using an optimization problem.
上記課題を解決するために本発明に係る撮像方法は、撮像対象物の像を符号化パターンに基づいて空間的に強度変調する符号化ステップと、前記符号化パターンで符号化された前記撮像対象物の像を前記符号化パターンより解像度が低い低解像度画像として取得する第1の低解像度画像取得ステップと、前記符号化パターンを反転したパターンで符号化された前記撮像対象物の像を前記符号化パターンより解像度が低い低解像度画像として取得する第2の低解像度画像取得ステップと、少なくとも、前記低解像度画像、前記第1及び第2の低解像度画像取得ステップにおけるリサンプリングの情報、及び前記符号化パターンから、圧縮センシングにより前記低解像度画像よりも高解像度の前記撮像対象物の像を生成する画像生成ステップと、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the imaging method according to the present invention is characterized by comprising: an encoding step of spatially intensity-modulating an image of an object to be imaged based on an encoding pattern; a first low-resolution image acquisition step of acquiring an image of the object to be imaged, encoded with the encoding pattern, as a low-resolution image having a resolution lower than that of the encoding pattern; a second low-resolution image acquisition step of acquiring an image of the object to be imaged, encoded with a pattern obtained by inverting the encoding pattern, as a low-resolution image having a resolution lower than that of the encoding pattern; and an image generation step of generating an image of the object to be imaged, having a higher resolution than that of the low-resolution image, by compressed sensing, from at least the low-resolution image, resampling information in the first and second low-resolution image acquisition steps, and the encoding pattern.
また、前記撮像方法は、前記第1の低解像度画像取得ステップと前記第2の低解像度画像取得ステップが、符号化された前記撮像対象物の像と撮像部の画素の相対的な位置関係が互いに異なる状態で、それぞれ前記低解像度画像を取得することが望ましい。 Furthermore, it is preferable that the imaging method is such that the first low-resolution image acquisition step and the second low-resolution image acquisition step each acquire the low-resolution image in a state in which the relative positional relationship between the encoded image of the imaging object and the pixels of the imaging unit is different from each other.
本発明における撮像装置及び撮像方法によれば、任意のパターンで被写体像を光学的に符号化することができ、高速に低解像度の符号化画像を取得し、画像の再構成でエラーが生じることなく、高解像度画像を生成することができる。 The imaging device and imaging method of the present invention can optically encode a subject image in any pattern, quickly obtain a low-resolution encoded image, and generate a high-resolution image without errors in image reconstruction.
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。 The following describes an embodiment of the present invention with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図1に、第1の実施形態の撮像装置の光学系の概念図を示す。撮像装置は、第1及び第2カメラ(撮像素子)11,12と、第1~第3レンズ21~23と、DMD30と、制御演算処理装置40とを備えている。
First Embodiment
1 shows a conceptual diagram of the optical system of an image pickup apparatus according to the first embodiment. The image pickup apparatus includes first and second cameras (image pickup elements) 11 and 12, first to
第1レンズ21は、撮像対象物の像をDMD30に結像する。
The
DMD30は、制御演算処理装置40によって制御され、任意の符号化パターンを表示することができ、これによって撮像対象物の像が符号化される。すなわち、DMD30は、撮像対象物の像を空間的に強度変調する光変調器として機能する。図2は、DMD30による光変調の原理図である。DMD30に符号化パターンを表示すると、ON状態の画素(ミラー)31で反射された光は第1カメラ11に、OFF状態の画素(ミラー)32で反射された光は第2カメラ12に、それぞれ結像される。
The
図3に、DMD表示パターンと各カメラの投影画像及び取得画像の例を示す。DMD30の各ピクセル(ミラー)はONとOFFのいずれかであり、ON/OFFによって第1/第2カメラに像が分配されるから、図3に示すように、第1カメラ11に投影される符号化された撮像対象物(符号化像)と、第2カメラ12に投影される符号化像は、反転したパターン(ネガポジ反転)で符号化される。したがって、DMD30に結像した光は、第1カメラ11と第2カメラ12のどちらかに投影され、欠落する画素が生じることはない。なお、本実施形態では、DMDのON,OFF制御にランダムパターンを用いているが、アダマールパターンなどの直交規定も含め、任意のパターンを用いてよい。
Figure 3 shows an example of the DMD display pattern and the projected and captured images of each camera. Each pixel (mirror) of the
第2レンズ22は、DMD30のポジパターンで符号化された画像を、第1カメラ11に投影・結像する。また、第3レンズ23は、DMD30のネガパターンで符号化された画像を、第2カメラ12に投影・結像する。本発明においては、カメラ11,12で取得した画像から超解像で元の画像を得るものであり、レンズ22,23は、DMD30に表示した符号化パターンの画素サイズがカメラの画素サイズ以下になるように、符号化された撮像対象物の像を転送する。本実施形態では、符号化された撮像対象物の像を転送する画像転送手段としてレンズを用いたが、カメラに符号化像を転送し結像する手段として、他の光学素子を用いてもよい。
The
第1カメラ(第1撮像部)11は、第2レンズ22で転送された、DMD30のポジパターンで符号化された画像を撮像する。また、第2カメラ(第2撮像部)12は、第3レンズ23で転送された、DMD30のネガパターンで符号化された画像を撮像する。なお、第1カメラ11と第2カメラ12のどちらがポジパターン、ネガパターンをそれぞれ撮像するかは、適宜設定することができる。
The first camera (first imaging section) 11 captures an image encoded with the positive pattern of the
ここで、図3に示すように、カメラの画素サイズがDMD30の画素に対して縦横2倍(面積では4倍)の大きさを持っており、DMD30に対する第1カメラ11の位置関係と、DMD30に対する第2カメラ12の位置関係が相対的に同じであるとすれば、DMD30で符号化された像の4画素分の輝度和がカメラの各画素に入力され、低解像度画像が第1及び第2カメラ11,12でそれぞれ取得できる。これを複数回繰り返し、DMD30に表示するパターンを変えながら符号化画像を複数枚取得する。すなわち、第1カメラ(第1撮像部)11及び第2カメラ(第2撮像部)12は、符号化パターンで符号化された撮像対象物の像を、符号化パターンより解像度が低い低解像度画像として取得する。そして、第1及び第2カメラ11,12は、取得した低解像度画像の信号をそれぞれ制御演算処理装置40へ出力する。
As shown in FIG. 3, the pixel size of the camera is twice as large as the pixel size of the DMD 30 (four times larger in area), and if the positional relationship of the
制御演算処理装置40は、撮像装置全体の制御を行うとともに、超解像のための演算処理を行う。具体的には、制御演算処理装置40は、DMD30の画素(ミラー)のパターンを制御する。また、制御演算処理装置40は、第1及び第2カメラ11,12で得られた低解像度画像(符号化画像)の画像データに基づいて、後述のとおり、高解像度画像の再構成のための演算処理を行い、高解像度の撮像対象物の像を生成する画像生成部として機能する。
The control and
このように、本発明は、第1カメラ11のみでは符号化によって撮像対象物の情報を取得できない領域(OFF状態の画素)があっても、かならず第2カメラ12では当該領域の撮像対象物の情報が取得できる。これによって、圧縮センシングによって符号化パターンの枚数(あるいは撮影回数)を削減した際に、撮像対象物の情報をすべての低解像度画像で取得できずに再構成でエラーが生じる問題(図19参照)が発生しない。また、一つのDMD符号化パターンで同時に2つ(ポジとネガ)の符号化画像を取得することができ、低解像度画像の取得を従来より高速に行うことができる。
In this way, in the present invention, even if there is an area (pixels in an OFF state) where information about the imaged object cannot be obtained by encoding using only the
なお、図1の撮像対象物は実像を図示しているが、撮像対象物としてはカメラで撮像できるものであればよく、実像体のみならず、干渉縞などの変調光でも良い。また、カメラ11,12やDMD30は紫外から近赤外までの幅広い波長に対応することができるため、可視光以外の領域でも適応可能である。
Note that while the object to be imaged in FIG. 1 is shown as a real image, the object to be imaged may be anything that can be imaged by a camera, and may be not only a real image body but also modulated light such as interference fringes. In addition,
図4は、第1の実施形態の変形例の撮像装置の光学系の概念図である。撮像装置は、図1と同様に、第1及び第2カメラ(撮像素子)11,12と、第1~第3レンズ21~23と、DMD30と、制御演算処理装置40とを備えているが、カメラ11,12とDMD30の配置が図1と異なっている。
Figure 4 is a conceptual diagram of the optical system of an imaging device according to a modified example of the first embodiment. As in Figure 1, the imaging device includes first and second cameras (imaging elements) 11, 12, first to third lenses 21-23, a
DMD30がマイクロミラーで構成されることから、撮像対象物に対して、第1カメラ11、第2カメラ12を、図4のように同じ側(図では下側)に配置した光学系でもよい。このとき、DMD30では図5のように画素(ミラー)のON,OFF動作が制御され、撮像対象物の像の符号化がされる。この場合も、DMD30に結像した光は、第1カメラ11と第2カメラ12のどちらかに投影され、欠落する画素が生じることはない。
Since the
次に、高解像度画像の再構成について説明する。取得した符号化画像を、制御演算処理装置40で再構成計算することで、超解像された画像が再構成される。ここで、カメラ11,12で取得した低解像度画像を2次元画像(m, n)[画素数m×n]、DMD30に表示したパターン数をp、超解像された高解像度画像を2次元画像(M, N)[画素数M×N,M>m,N>n]とする。
Next, the reconstruction of a high-resolution image will be explained. A super-resolved image is reconstructed by performing reconstruction calculations on the acquired encoded image using the control and
再構成計算においては、光学系を数式に当てはめると、
(低解像度符号化画像Y)=(カメラによるリサンプリングR)×(符号化パターンD)×(超解像された高解像度画像O)
が成り立つ。加えてDCTにより、
(取得した低解像度符号化画像Y)=(カメラによるリサンプリングR)×(符号化パターンD)×(DCT基底B)×(超解像された画像のDCT成分X)
と変換することができる。
In the reconstruction calculation, the optical system is applied to the formula as follows:
(Low-resolution encoded image Y) = (camera resampling R) x (encoding pattern D) x (super-resolved high-resolution image O)
In addition, by DCT,
(Acquired low-resolution encoded image Y) = (camera resampling R) x (encoding pattern D) x (DCT basis B) x (DCT component X of super-resolved image)
can be converted to:
図6は、低解像度符号化画像から高解像度画像を推定する線型方程式を表す図である。画像を一次元信号にする(2次元画像の成分a0,0~am-1,n-1を一列に配列する)と、低解像度符号化画像Yは、m×n行1列の行列{Y1,…,Ym×n}となる。また、超解像された高解像度画像Oは、M×N行M×N列のDCT基底Bと、M×N行1列の超解像された画像のDCT成分X={X1, …,XM×N}との積で表される。符号化パターンDは、DMDに表示する各画素のうち有効画素(反射ミラー)を1、無効画素(非反射ミラー)を0として、全画素を一次元信号にしたものをM×N行M×N列の行列の対角上に配列したものである。符号化された高解像度画像(M×N)がカメラの粗い画素により低解像度画像(m×n)として取得される過程は、カメラによるリサンプリングRとしてm×n行M×N列の行列(例えば、符号化画像2×2画素がカメラの1画素に対応する場合は、m×n行の各行に要素0.25が4つ配列される)として表される。したがって、低解像度画像と高解像度画像(画像のDCT成分)の変換は、図6に示す線形な行列の積で表現できる。 6 is a diagram showing a linear equation for estimating a high-resolution image from a low-resolution encoded image. When an image is converted into a one-dimensional signal (components a 0,0 to a m-1,n-1 of a two-dimensional image are arranged in a row), the low-resolution encoded image Y becomes a matrix of m×n rows and one column {Y 1 , ..., Y m×n }. The super-resolved high-resolution image O is expressed as a product of a DCT base B of M×N rows and M×N columns and a DCT component X of the super-resolved image of M×N rows and one column, {X 1 , ..., X M×N }. The encoding pattern D is a one-dimensional signal obtained by arranging all pixels displayed on the DMD on the diagonal of a matrix of M×N rows and M×N columns, with effective pixels (reflecting mirrors) being 1 and ineffective pixels (non-reflecting mirrors) being 0. The process in which an encoded high-resolution image (M×N) is obtained as a low-resolution image (m×n) by coarse pixels of a camera is expressed as a matrix of m×n rows and M×N columns as resampling R by the camera (for example, when 2×2 pixels of an encoded image correspond to one pixel of a camera, four elements of 0.25 are arranged in each of m×n rows). Therefore, the conversion between a low-resolution image and a high-resolution image (DCT components of an image) can be expressed as a linear matrix product as shown in FIG. 6.
これを符号化パターンp枚分繰り返し、連立方程式にする。なお、1枚の符号化パターンで第1及び第2カメラがそれぞれ1枚ずつ低解像度画像を取得することができるので、低解像度符号化画像Yは合計2p枚取得できる。同様に、符号化パターンDもネガp枚+ポジp枚の合計2p枚を使用することになる。よって、符号化パターンD={D1,…,D2p}ごとに、第1及び第2カメラ11,12のそれぞれで取得した低解像度符号化画像Y={Y1,…,Ym×n×2p}を連立させることとなる。加えて、3つの2次元ベクトルR,D,Bをひとまとめにした超解像ベクトルA(=RDB)とすれば、光学系をY=AXと線形方程式で表現でき、Y及びAが既知であり、その2要素からX={X1, …,XM×N}を求める逆問題となる(図7)。一般にM×N元連立方程式(すなわち未知数がM×Nの連立方程式)においては、条件式がM×N以上必要である。しかしながら、圧縮センシングを用いれば、解Xが疎(成分の多くがほぼ0に近い)である場合には条件式数が未知数未満でも求めることができる。本実施形態では、DCTにより画像を疎な解Xとしているため、これを適用した。なお、本実施形態では、画像をスパースな値である画素成分に変換する画像変換基底としてDCT基底(離散コサイン変換の二次元基底関数)を利用したが、これ以外にも、DWT基底(離散ウェーブレット変換の二次元基底関数)やDFT基底(離散フーリエ変換の二次元基底関数)などの画像変換基底を用いてもよい。
This is repeated for p coding patterns to create a simultaneous equation. Since the first and second cameras can each acquire one low-resolution image with one coding pattern, a total of 2p low-resolution coded images Y can be acquired. Similarly, a total of 2p coding patterns, p negatives and p positives, are used for coding pattern D. Therefore, for each coding pattern D={D 1 , ..., D 2p }, low-resolution coded images Y={Y 1 , ..., Y m×n×2p } acquired by each of the first and
圧縮センシングは、具体的には、LASSO(Least absolute shrinkage and selection operator)回帰と呼ばれる下記(1)式の最適化問題をADMM(Alternating Direction Method of Multipliers)法で解くことで解Xが得られる。最適化問題の解法アルゴリズムはいくつか存在し、ニュートン法や準ニュートン法、座標降下法やISTA(Iterative shrinkage - thresholding algorithm)、FISTA(Fast iterative shrinkage - thresholding algorithm)など、ADMM以外の手法を用いてもよい。 Specifically, in compressed sensing, a solution X is obtained by solving the optimization problem of the following equation (1), called LASSO (Least Absolute Shrinkage and Selection Operator) regression, using the ADMM (Alternating Direction Method of Multipliers) method. There are several algorithms for solving optimization problems, and methods other than ADMM, such as Newton's method, quasi-Newton method, coordinate descent method, ISTA (Iterative Shrinkage-thresholding algorithm), and FISTA (Fast Iterative Shrinkage-thresholding algorithm), may also be used.
これを解き、最後に推定解Xを逆DCTすれば、超解像された高解像度画像が再構成できる。 By solving this and finally performing inverse DCT on the estimated solution X, a super-resolved high-resolution image can be reconstructed.
(第2の実施形態)
第1の実施形態では、DMD30の各画素(符号化像)と第1及び第2のカメラの各画素との位置関係は一定のままで、画像データを取得したが、第2の実施形態では、一方のカメラの位置をシフトして符号化像を撮像する。本実施形態では、符号化パターンの解像度に加えて、位置ずれ量を空間的な高解像度情報として利用することができる。
Second Embodiment
In the first embodiment, image data is acquired while the positional relationship between each pixel (encoded image) of the
図8は、第2の実施形態における、撮像装置の光学系の概念図である。撮像装置は、第1及び第2カメラ(撮像素子)11,12と、第1~第3レンズ21~23と、DMD30と、ステージ52と、制御演算処理装置40とを備えている。図1に示す第1の実施形態と比較して、第2カメラ12にステージ52が取り付けられており、ステージ52が制御演算処理装置40で制御されることが異なっている。他の構成は第1の実施形態と同じであるので、説明を省略する。
Figure 8 is a conceptual diagram of the optical system of an imaging device in the second embodiment. The imaging device comprises first and second cameras (imaging elements) 11, 12, first to
ステージ52は第2カメラ12に取り付けられ、第2カメラ12に入射する符号化像の位置を制御演算処理装置40からの命令により指定量分だけ空間的にシフトさせる。なお、図8ではステージを第2カメラ12に取り付けているが、ステージを第1カメラ11に取り付けて、第1カメラ11をシフトさせてもよい。
The
また、図9は、第2の実施形態の撮像装置の別の光学系の概念図である。撮像装置は、第1及び第2カメラ(撮像素子)11,12と、第1~第3レンズ21~23と、DMD30と、光路変調素子62と、制御演算処理装置40とを備えている。
Figure 9 is a conceptual diagram of another optical system of the imaging device of the second embodiment. The imaging device includes first and second cameras (imaging elements) 11 and 12, first to
図9のように、DMD30と第2カメラ12の間に光路変調素子62を挿入して、パターンごとに制御演算処理装置40からの命令に基づいて光路を変調して符号化像をシフトさせることで、異なる空間解像度で符号化像を撮像できる装置でもよい。ここで、光路変調素子62としては、ガラス等の透過物をアクチュエーターによって傾けることで光路をシフトさせるものや、電界によって屈折率変化が生じる透過型の液晶変調素子を用いることで実現できる。あるいは、制御演算処理装置40を用いずに、マイクロメーターなどが付いた手動ステージを用いてもよい。
As shown in FIG. 9, a light
図10は、符号化像に対して2台のカメラ間で相対的な位置ずれをさせた例を示す図である。左側が第1カメラ11の画素と符号化像の位置関係を示しており、右側が第2カメラ12の画素と符号化像の位置関係を示している。
Figure 10 shows an example of relative positional shift between two cameras with respect to the encoded image. The left side shows the positional relationship between the pixels of the
第1カメラ11においては、第1カメラ11の画素内に符号化パターン(符号化像)16×16画素がおさまるような位置関係に調整されている。一方、第2カメラ12においては、同様に第2カメラ12の1画素と符号化パターン16×16画素が対応するが、第1カメラ11と符号化像の位置関係に対して、縦と横の各方向に符号化パターンの1,2,4,8画素ずつ位置をシフトして符号化像を撮像する場合がそれぞれ例示されている。
In the
このような位置シフトを含んだ光学系においては、再構成計算に用いる光学系の線形表現は、
(低解像度符号化画像Y)=(カメラによるリサンプリングR)×(位置シフト量S)×(符号化パターンD)×(超解像された高解像度画像O)
となる。加えてDCTにより、
(取得した低解像度符号化画像Y)=(カメラによるリサンプリングR)×(位置シフト量S)×(符号化パターンD)×(DCT基底B)×(超解像された画像のDCT成分X)
と変換することができる。
In an optical system including such a position shift, the linear expression of the optical system used for the reconstruction calculation is given by
(Low-resolution encoded image Y)=(camera resampling R)×(position shift amount S)×(encoding pattern D)×(super-resolved high-resolution image O)
In addition, by DCT,
(Acquired low-resolution encoded image Y) = (Resampling by camera R) x (Position shift amount S) x (Encoding pattern D) x (DCT basis B) x (DCT component X of super-resolved image)
can be converted to:
位置シフト量を示すベクトルSについて、図11を用いて簡単に説明する。例えば、符号化パターン(符号化像)を、X,Y方向にそれぞれ1画素ずつ(右下方向に)シフトした場合を想定する。符号化像の各画素(a1,a2,a3,…,c1,c2,c3,…)は、2次元では移動後にX,Y方向にそれぞれ1画素ずつずれるが、これを1次元信号で表現すると移動後に各画素は1列の中で行の位置がシフトする(図11の左図参照)。このシフトを実現する位置シフトベクトルSは、移動後の画素位置の行に対応する行において移動前の画素位置に対応する列の要素が1(同行の他の要素は0)である行列となる(図11の右図参照)。このような位置シフトベクトルSを、上式の位置シフト量Sとして用いればよい。 The vector S indicating the amount of position shift will be briefly explained using FIG. 11. For example, assume that the coding pattern (coded image) is shifted by one pixel each in the X and Y directions (to the lower right). In two dimensions, each pixel (a1, a2, a3, ..., c1, c2, c3, ...) of the coded image is shifted by one pixel each in the X and Y directions after the movement, but when this is expressed as a one-dimensional signal, the row position of each pixel shifts within a column after the movement (see the left diagram in FIG. 11). The position shift vector S that realizes this shift is a matrix in which the element of the column corresponding to the pixel position before the movement in the row corresponding to the row of the pixel position after the movement is 1 (other elements in the same row are 0) (see the right diagram in FIG. 11). Such a position shift vector S can be used as the position shift amount S in the above formula.
位置ずらしが無い場合と同様に、上式において各ベクトルR,S,D,Bをひとまとめにした超解像ベクトルA(=RSDB)を用いれば、光学系をY=AXと線形方程式で表現でき、YとAからXを推定する逆問題となり、推定したXを逆DCTすれば、超解像された高解像度画像が再構成できる。 As in the case where there is no positional shift, if we use the super-resolution vector A (=RSDB) which is a combination of the vectors R, S, D, and B in the above equation, the optical system can be expressed by a linear equation Y = AX, which becomes an inverse problem of estimating X from Y and A, and by performing inverse DCT on the estimated X, a super-resolved high-resolution image can be reconstructed.
(第1及び第2の実施形態の検証)
第1の実施形態及び第2の実施形態における超解像の検証を、実際に画像を用いて行った。(M, N)=(96, 96)の画像を原画像(=超解像で復元する画像)として用意し、(m, n)=(6, 6)としてダウンサンプリングした。すなわち縦横各16倍の超解像となり、一般的な画素ずらしなどによる超解像においては、16×16=256枚の低解像度画像が必要となる。本実施形態においては、すべてパターン数p=128枚での条件で超解像のシミュレーションをした。
(Verification of the first and second embodiments)
The super-resolution in the first and second embodiments was verified using actual images. An image of (M, N) = (96, 96) was prepared as the original image (= image to be restored by super-resolution), and downsampled to (m, n) = (6, 6). In other words, the super-resolution is 16 times larger vertically and horizontally, and in general super-resolution by pixel shifting, 16 x 16 = 256 low-resolution images are required. In this embodiment, the super-resolution simulation was performed under the condition that the number of patterns p = 128.
画質はPSNR(Peak Signal To Noise Ratio)にて評価した。PSNRは、MSE(Mean Squared Error)を用いた下記の式(2),(3)からなり、高い値をとるほどより原画像に近い画像が再構成されていることがわかる。なお、下記式において、MAXは原画像Iの中で最大の画素値、uとvはそれぞれ原画像I及び超解像画像I’の縦と横の画素数で、iとjは画像内の任意の画素位置を示す。 Image quality was evaluated using PSNR (Peak Signal To Noise Ratio). PSNR is calculated using the following formulas (2) and (3) using MSE (Mean Squared Error), and the higher the value, the closer the image reconstructed is to the original image. In the formulas below, MAX is the maximum pixel value in original image I, u and v are the number of pixels in the vertical and horizontal directions of original image I and super-resolution image I', respectively, and i and j indicate any pixel position within the image.
画素数96×96のランダムな符号化パターンを用意し、128種類のパターンで取得した低解像度画像から画像を生成した。まず、第1カメラ11のみを用いて128枚の低解像度画像から再構成した結果、PSNRは25.8dBであった。
A random coding pattern of 96 x 96 pixels was prepared, and an image was generated from low-resolution images acquired with 128 different patterns. First, an image was reconstructed from 128 low-resolution images using only the
次に、第1カメラ11と第2カメラ12で取得した合計256枚の低解像度画像から超解像をした。その際、第1カメラ11においては、第1カメラ11の画素内に符号化パターン16×16画素がおさまるような位置関係に調整されているのに対し、第2カメラ12においては縦と横の各方向に符号化パターンの0,1,2,4,8画素ずつ位置をシフトして符号化像を撮像していく場合について検証した(図10参照)。
結果は、表1のとおりである。
Next, super-resolution was performed from a total of 256 low-resolution images acquired by the
The results are shown in Table 1.
シフト量が大きくなるにしたがって、画質が向上した。第2カメラ12におけるずれ量がない(0画素)場合には、取得できる符号化画像が256枚と倍になることで画質が若干改善するが、それに加えて第2カメラ12のずれを加えることで画質が大幅に改善した。これは、相対的な位置をずらした配置をすることで、符号化パターンの解像度に加えて、位置ずれ量を空間的な高解像度情報として光学系でエンコードできるためである。特に、第1カメラ11と第2カメラ12間のずれ量を、カメラ画素の半分の値である符号化パターンの8画素分にすると最も画質が高くなる。位置ずれ量が1画素の場合には、位置ずれによる高解像度情報がカメラ画素の周辺部のみにしか寄与しないが、8画素になるとカメラ画素全域に位置ずれによる高解像度情報をエンコードできるためである。
As the shift amount increases, the image quality improves. When there is no shift amount in the second camera 12 (0 pixels), the number of encoded images that can be acquired doubles to 256, which slightly improves the image quality, but adding the shift of the
(第3の実施形態)
第3の実施形態は、符号化時の高解像度情報として、符号化像・カメラ間におけるパターンごとの位置シフトをエンコードに加えた場合である。
Third Embodiment
The third embodiment is a case where a position shift for each pattern between the encoded image and the camera is added to the encoding as high resolution information at the time of encoding.
図12は、第3の実施形態における、撮像装置の光学系の概念図である。撮像装置は、第1及び第2カメラ(撮像素子)11,12と、第1~第3レンズ21~23と、DMD30と、ステージ51,52と、制御演算処理装置40とを備えている。図1に示す第1の実施形態と比較して、第1カメラ11にステージ51が、また、第2カメラ12にステージ52が取り付けられており、ステージ51,52が制御演算処理装置40で制御されることが異なっている。他の構成は第1の実施形態と同じであるので、説明を省略する。
Figure 12 is a conceptual diagram of the optical system of an imaging device in the third embodiment. The imaging device comprises first and second cameras (imaging elements) 11, 12, first to third lenses 21-23, a
図12に示すように、ステージ51,52により、カメラ画素の縦及び横方向に任意のシフトをできるようにし、パターンごとにカメラの位置を変えることで符号化像を異なる空間解像度(異なる相対的な位置関係)で撮像できる装置とする。 As shown in FIG. 12, stages 51 and 52 allow the camera pixels to be shifted vertically and horizontally as desired, and the device can capture encoded images with different spatial resolutions (different relative positional relationships) by changing the camera position for each pattern.
また、図13は、第3の実施形態における、撮像装置の別の光学系の概念図である。撮像装置は、第1及び第2カメラ(撮像素子)11,12と、第1~第3レンズ21~23と、DMD30と、ステージ53と、制御演算処理装置40とを備えている。図1に示す第1の実施形態と比較して、DMD30にステージ53が取り付けられており、ステージ53が制御演算処理装置40で制御されることが異なっている。他の構成は第1の実施形態と同じであるので、説明を省略する。
Also, FIG. 13 is a conceptual diagram of another optical system of an imaging device in the third embodiment. The imaging device comprises first and second cameras (imaging elements) 11, 12, first to
図13に示すように、ステージ53により、DMD(光変調器)を任意の位置にシフトできるようにし、パターンごとにDMD30の位置を変えることで、各カメラで撮像する符号化像を異なる空間解像度で撮像できるようにする。
As shown in FIG. 13, the
また、図14は、第3の実施形態における、撮像装置の更に別の光学系の概念図である。撮像装置は、第1及び第2カメラ(撮像素子)11,12と、第1~第3レンズ21~23と、DMD30と、光路変調素子61,62と、制御演算処理装置40とを備えている。図1に示す第1の実施形態と比較して、DMD30と第1カメラ11の間に光路変調素子61を配置し、DMD30と第2カメラ12の間に光路変調素子62を配置して、光路変調素子61,62を制御演算処理装置40で制御することが異なっている。他の構成は第1の実施形態と同じであるので、説明を省略する。
Figure 14 is a conceptual diagram of yet another optical system of an imaging device in the third embodiment. The imaging device includes first and second cameras (imaging elements) 11, 12, first to third lenses 21-23, a
図14に示すように、光路変調素子61,62を挿入して、パターンごとにDMD30からカメラ11,12に至る光路を変調して符号化像をシフトさせることで、異なる空間解像度で符号化像を撮像できる装置としてもよい。
As shown in FIG. 14, optical
制御演算処理装置40からの命令により、各ステージ51~53又は光路変調素子61,62を指定量分だけ位置シフトさせる。この位置シフト量を用いて光学系を線形表現した最適化問題を第2の実施形態と同様に設定し、逆問題を解く。そして推定解を逆DCTすることにより、高解像度画像が再構成できる。
In response to a command from the control
なお、本実施形態では制御演算処理装置40によるステージ等の制御を行ったが、制御演算処理装置40を用いずに、マイクロメーターなどが付いた手動ステージを用いてもよい。
In this embodiment, the stage and other components are controlled by the control and
(第3の実施形態の検証)
光路変調素子を利用して、符号化パターンごとに位置をシフトさせた第3の実施形態について、第1、第2の実施形態と同様にシミュレーションで検証した。第1、第2の実施形態と同様に縦横各16倍の超解像を行った。128枚の符号化パターンを使って低解像度画像を取得する際に、第1カメラ11及び第2カメラ12を1パターンごとに異なる位置にシフトさせて撮像する。位置シフトのピッチによって取得できる符号化画像の空間解像度が変わる。
(Verification of the third embodiment)
The third embodiment, in which the position is shifted for each encoding pattern using an optical path modulation element, was verified by simulation in the same manner as the first and second embodiments. Super-resolution was performed 16 times vertically and horizontally in the same manner as the first and second embodiments. When acquiring a low-resolution image using 128 encoding patterns, the
図15は、符号化像に対して2台のカメラ間で一定の相対的な位置ずれをさせながら、符号化パターンごとにカメラと符号化像の位置関係を変える例を示す図である。図15に示すように、位置シフトさせる前の状態(すなわち、最初の符号化パターン)として、第1カメラ11では符号化パターン16×16画素がカメラ画素1×1と同位置になるように配置したのに対し、第2カメラ12では符号化パターンが縦横にそれぞれ1画素ずれているように配置した。また、符号化パターンごとにカメラと符号化像の位置関係を変えて低解像度画像を取得する際に、符号化像に対する第1カメラ11及び第2カメラ12の相対的な位置ずれ量が常に同量(図15では、常に縦横1画素のずれ)となるようにした。
Figure 15 is a diagram showing an example in which the positional relationship between the camera and the encoded image is changed for each encoding pattern while a certain relative positional shift is applied between the two cameras with respect to the encoded image. As shown in Figure 15, in the state before the position shift (i.e., the first encoding pattern), the
画素数96×96のランダムな符号化パターンを用意し、128種類のパターンで取得した低解像度画像から画像を生成した。まず、第1カメラ11のみを用いて128枚の低解像度画像から再構成した結果、PSNRは25.0dBであった。
A random coding pattern of 96 x 96 pixels was prepared, and an image was generated from low-resolution images acquired using 128 different patterns. First, an image was reconstructed from 128 low-resolution images using only the
これに対し、シフトピッチ(第1及び第2カメラの相対的な位置ずれ量)を符号化パターンの0,1,2,4,8画素分として符号化パターンごとにランダムに位置移動させながら第1カメラ11と第2カメラ12を同時に使用して合計256枚の符号化像を取得していく場合について検証した。
結果は、表2のとおりである。
In contrast, we verified the case in which the shift pitch (the relative positional deviation between the first and second cameras) was set to 0, 1, 2, 4, or 8 pixels of the encoding pattern, and the
The results are shown in Table 2.
表2のとおり、第1及び第2カメラの相対的な位置ずれ量が大きいほど、再構成画像の画質が向上した。 As shown in Table 2, the image quality of the reconstructed image improved as the relative positional shift between the first and second cameras increased.
なお、本実施形態においてはトナー粉を用いた非特許文献1のように符号化パターンが固定された状態で(DMD30のパターンを固定して)、位置シフトさせて128枚の低解像度画像を取得してもよい。位置シフト量による情報を用いて、低解像度画像から高解像度画像を再構成することができる。
In this embodiment, the coding pattern may be fixed (the pattern of the
(第4の実施形態)
第1~第3の実施形態においては、符号化パターンの画素単位での想定的な位置ずれをさせているため、再構成画像の解像度は符号化パターンの解像度と同等になる。しかしながら、2つのカメラの相対的な位置ずれ量を符号化パターンより細かくすると、符号化パターンより高い周波数の解像度情報をエンコードすることになり、符号化パターン以上の高解像度化ができる。第4の実施形態は、第1カメラ11と第2カメラ12における相対的な位置ずれ量を、符号化パターンの画素ピッチより小さく(狭く)するものである。
(Fourth embodiment)
In the first to third embodiments, the encoding pattern is shifted in pixel units, so that the resolution of the reconstructed image is equivalent to the resolution of the encoding pattern. However, if the relative positional shift amount between the two cameras is made finer than the encoding pattern, resolution information with a higher frequency than the encoding pattern is encoded, and the resolution can be increased to be higher than the encoding pattern. In the fourth embodiment, the relative positional shift amount between the
符号化パターン以上の高解像度化ができることを確認するために、以下のシミュレーションをした。画素数96×96のランダムな符号化パターンの解像度を落とし、2×2画素を1シンボル(同じ表示状態)として解像度を48×48シンボルとした。まず、この符号化画像に対して、第1カメラ11のみで符号化画像を取得し再構成した場合には、再構成画像の画素数は96×96であるものの、実質的な画像の解像度は48×48(2×2画素単位で同じ画素値)となる。
The following simulation was performed to confirm that it is possible to achieve a higher resolution than the coding pattern. The resolution of the random coding pattern with 96 x 96 pixels was reduced to 48 x 48 symbols, with 2 x 2 pixels per symbol (same display state). First, when this coded image is acquired using only the
次に、カメラを2台使用し、図16に示すように、第1カメラ11と符号化像の位置関係に対して、第2カメラ12では符号化像に符号化パターンのピッチより小さい単位でシフト量(相対的な位置ずれ)を与えて位置シフトさせ、低解像度画像を取得した。
Next, two cameras were used, and as shown in Figure 16, the
本実施形態においては、DMDの2×2画素を1シンボルとして解像度を48×48シンボルとした符号化パターンを用いたうえで、第1カメラ11ではカメラの1画素内に符号化パターン8×8シンボルがおさまるような位置関係にし、第2カメラ12では符号化パターンがカメラに対してDMD1画素分(符号化パターンの1/2ピッチ)ずれたように配置し、128枚の符号化パターンで検証した。
In this embodiment, a coding pattern with a resolution of 48x48 symbols was used, with 2x2 pixels of the DMD as one symbol, and the
図17に、符号化パターンよりも狭ピッチの相対的な位置ずれに基づいて再構成した画像の例を示す。(a)は、低解像度の符号化パターンを用い、第1カメラ11と第2カメラ12で符号化像に対する相対的な位置シフトなしで再構成した場合であり、(b)は、低解像度の符号化パターンを用い、第2カメラ12では符号化像に対して符号化パターンの1/2ピッチ分相対的な位置シフトをさせて再構成した場合である。再構成画像は、どちらも96×96画素の解像度で再構成している。図17(a)に示すように、第1カメラ11と第2カメラ12で符号化像に対する位置ずれがない場合には、再構成画像は符号化画像に含まれる解像度(48×48シンボル)以上の解像度は得られず、画素数(96×96)で再構成をしても、実質的な解像度が低下していることがわかる。一方、図17(b)を参照すると、第1カメラ11及び第2カメラ12で相対的に符号化パターンの画素ピッチより小さい単位で位置シフトをさせることで、符号化パターン以上の解像度の画像が再構成できることがわかる。
Figure 17 shows an example of an image reconstructed based on a relative positional shift with a narrower pitch than the coding pattern. (a) shows a case where a low-resolution coding pattern is used and reconstruction is performed without a relative positional shift with respect to the coding image in the
なお、本実施形態では、符号化パターンより細かい相対的な位置ずれを第2の実施形態に適用した例であるが、第3の実施形態のような符号化パターンごとにカメラの位置シフトを行うシステムにも適用してもよい。 Note that this embodiment is an example in which a relative position shift that is finer than the coding pattern is applied to the second embodiment, but it may also be applied to a system in which the camera position is shifted for each coding pattern, such as the third embodiment.
(第5の実施形態)
図18に、第5の実施形態の撮像装置の光学系の概念図を示す。第1~第4の実施形態では、DMDを光変調器として使用しているが、本実施形態では、反射型の液晶光変調器を使用している。撮像装置は、第1及び第2カメラ(撮像素子)11,12と、第1~第3レンズ21~23と、PBS(Polarizing Beam Splitter:偏光ビームスプリッター)81と、BS(Beam Splitter:ビームスプリッター)82と、反射型液晶光変調器90と、制御演算処理装置40とを備えている。
Fifth Embodiment
18 shows a conceptual diagram of the optical system of the imaging device of the fifth embodiment. In the first to fourth embodiments, a DMD is used as the optical modulator, but in this embodiment, a reflective liquid crystal optical modulator is used. The imaging device includes first and second cameras (imaging elements) 11 and 12, first to
第1レンズ21は、撮像対象物から反射(又は放射)された光(像)を透過させる。半分の光はBS82によって図の下方向に反射されてしまうが、残りの半分の光はPBS81へ向かう。その光のうち、S偏光の光はPBS81によって図の下方向へ反射され、P偏光の光のみがPBS81を透過し、反射型液晶光変調器90に結像する。
The
反射型液晶光変調器90は、制御演算処理装置40により制御され、任意の符号化パターンを表示する。P偏向の入射光は、符号化パターンのON部に照射された光はS偏光に変調され、一方、符号化パターンのOFF部に照射された光はP偏光のまま反射される。すなわち、反射型液晶光変調器90は、撮像対象物の像を空間的に強度変調する光変調器である。
The reflective liquid
PBS81はP偏光を透過させ、反射型液晶光変調器90からのS偏光を図の上方向に反射し、第2レンズ22を通過して第1カメラ11方向に向かわせる。すなわち、P偏光の入射光のうち、反射型液晶光変調器90の符号化パターンのON部に照射された光はS偏光に変調され、PBS81で反射される。
The
反射型液晶光変調器90で反射されたP偏光はPBS81を通過し、BS82によって2つに分離される。一方の光はBS82を透過するが、他方の光はBS82で図の上方向に反射し、第3レンズ23を通過して第2カメラ12方向に向かう。すなわち、P偏光の入射光のうち、反射型液晶光変調器90の符号化パターンのOFF部に照射された光はP偏向のまま反射されるため、PBS81を透過し、BS82で反射される。
The P polarized light reflected by the reflective liquid
第1カメラ11は、PBS81で反射された像を撮像する。すなわち、第1カメラ11は、符号化パターンのON部に照射されて反射された符号化像(ポジ画像)を撮像できる。また、第2カメラ12は、BS82で反射された像を撮像する。すなわち、第2カメラ12は、符号化パターンのOFF部に照射されて反射された符号化像(ネガ画像)を撮像できる。第1及び第2カメラ11,12は、取得した低解像度画像の信号をそれぞれ制御演算処理装置40へ出力する。
The
制御演算処理装置40は、撮像装置全体の制御を行うとともに、超解像のための演算処理を行う。具体的には、制御演算処理装置40は、反射型液晶光変調器90の画素のパターンを制御する。また、第1及び第2カメラ11,12で得られた低解像度画像(符号化画像)の画像データに基づいて、高解像度画像の再構成を行う演算処理を行う。
The control and
本実施形態において、符号化パターンのシフトを行う場合には、第2~第4の実施形態と同様に、第1カメラ11、第2カメラ12、又は反射型液晶光変調器90、にステージを取り付ければよい。
In this embodiment, when shifting the coding pattern, a stage can be attached to the
上記の各実施形態では、撮像装置の構成と動作について説明したが、本発明はこれに限らず、高解像度画像を生成する撮像方法として構成されてもよい。すなわち、撮像対象物の像を符号化パターンに基づいて空間的に強度変調する符号化ステップと、符号化パターンのポジパターンとネガパターンで符号化された撮像対象物の像を符号化パターンより解像度が低い低解像度画像として取得する低解像度画像取得ステップと、圧縮センシングにより低解像度画像よりも高解像度の撮像対象物の像を生成する画像生成ステップを備える撮像方法として構成されてもよい。 In each of the above embodiments, the configuration and operation of the imaging device have been described, but the present invention is not limited thereto, and may be configured as an imaging method for generating a high-resolution image. That is, the present invention may be configured as an imaging method including an encoding step of spatially intensity-modulating an image of an object to be imaged based on an encoding pattern, a low-resolution image acquisition step of acquiring an image of the object to be imaged, encoded with the positive and negative patterns of the encoding pattern, as a low-resolution image having a lower resolution than the encoding pattern, and an image generation step of generating an image of the object to be imaged with a higher resolution than the low-resolution image by compressed sensing.
上述の実施形態は代表的な例として説明したが、本発明の趣旨及び範囲内で、多くの変更及び置換ができることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形又は変更が可能である。例えば、実施形態に記載の各ブロック、各ステップ等に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成ブロック、ステップ等を1つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。 The above-mentioned embodiments have been described as representative examples, but it will be apparent to those skilled in the art that many modifications and substitutions are possible within the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention should not be interpreted as being limited by the above-mentioned embodiments, and various modifications or changes are possible without departing from the scope of the claims. For example, the functions contained in each block, step, etc. described in the embodiments can be rearranged so as not to cause logical inconsistencies, and multiple constituent blocks, steps, etc. can be combined into one or divided.
11 第1カメラ
12 第2カメラ
21 第1レンズ
22 第2レンズ
23 第3レンズ
30 DMD
40 制御演算処理装置
51~53 ステージ
61,62 光路変調素子
81 PBS
82 BS
90 反射型液晶光変調器
11
40 Control
82 B.S.
90 Reflective liquid crystal light modulator
Claims (9)
撮像対象物の像を符号化パターンに基づいて空間的に強度変調する光変調器と、
前記符号化パターンで符号化された前記撮像対象物の像を前記符号化パターンより解像度が低い低解像度画像として取得する第1撮像部と、
前記符号化パターンを反転したパターンで符号化された前記撮像対象物の像を前記符号化パターンより解像度が低い低解像度画像として取得する第2撮像部と、
少なくとも、前記低解像度画像、前記第1撮像部及び前記第2撮像部のリサンプリングの情報、及び前記符号化パターンに基づいて、圧縮センシングにより前記低解像度画像よりも高解像度の前記撮像対象物の像を生成する画像生成部と、
を備えることを特徴とする、撮像装置。 1. An imaging device for acquiring a low-resolution image and generating a high-resolution image, comprising:
an optical modulator that spatially intensity-modulates an image of an object based on a coding pattern;
a first imaging unit that acquires an image of the imaging object coded with the coding pattern as a low-resolution image having a resolution lower than that of the coding pattern;
a second imaging unit that acquires an image of the object to be imaged, the image being coded with a pattern obtained by inverting the coding pattern, as a low-resolution image having a resolution lower than that of the coding pattern;
an image generating unit that generates an image of the image capture object having a higher resolution than the low-resolution image by compressed sensing based on at least the low-resolution image, resampling information of the first imaging unit and the second imaging unit, and the coding pattern;
An imaging device comprising:
前記第1撮像部と前記第2撮像部は、符号化された前記撮像対象物の像と撮像部の画素の相対的な位置関係が互いに異なる状態で、それぞれ前記低解像度画像を取得することを特徴とする、撮像装置。 2. The imaging device according to claim 1,
An imaging device, characterized in that the first imaging unit and the second imaging unit each acquire the low-resolution image in a state in which the relative positional relationship between the encoded image of the object to be imaged and the pixels of the imaging units is different from each other.
前記第1撮像部と前記第2撮像部の一方は、符号化された前記撮像対象物の像と撮像部の画素の相対的な位置関係を、前記符号化パターンのピッチよりも小さい単位でシフトさせることを特徴とする、撮像装置。 3. The imaging device according to claim 2,
An imaging device, characterized in that one of the first imaging unit and the second imaging unit shifts the relative positional relationship between the encoded image of the object to be imaged and the pixels of the imaging unit in units smaller than the pitch of the encoding pattern.
前記第1撮像部及び前記第2撮像部の少なくとも一方に取り付けたステージにより、符号化された前記撮像対象物の像と撮像部の画素の相対的な位置関係を制御することを特徴とする、撮像装置。 4. The imaging device according to claim 1,
An imaging device, characterized in that a relative positional relationship between an encoded image of the object to be imaged and pixels of the imaging units is controlled by a stage attached to at least one of the first imaging unit and the second imaging unit.
前記光変調器に取り付けたステージにより、符号化された前記撮像対象物の像と撮像部の画素の相対的な位置関係を制御することを特徴とする、撮像装置。 4. The imaging device according to claim 1,
An imaging apparatus, characterized in that a relative positional relationship between the encoded image of the object to be imaged and pixels of an imaging section is controlled by a stage attached to the optical modulator.
前記第1撮像部及び前記第2撮像部の少なくとも一方と前記光変調器との間に配置した光路変調素子により、符号化された前記撮像対象物の像と撮像部の画素の相対的な位置関係を制御することを特徴とする、撮像装置。 4. The imaging device according to claim 1,
An imaging device, characterized in that a relative positional relationship between an encoded image of the object to be imaged and pixels of the imaging unit is controlled by an optical path modulation element arranged between at least one of the first imaging unit and the second imaging unit and the optical modulator.
前記高解像度画像は、離散コサイン変換、離散ウェーブレット変換、又は離散フーリエ変換の二次元基底関数により画素成分に変換され、
前記画像生成部は、前記低解像度画像から前記高解像度画像の画素成分を推定する線形方程式を最適化問題により解を求めることで、高解像度の前記撮像対象物の像を生成することを特徴とする、撮像装置。 7. The imaging device according to claim 1,
The high-resolution image is transformed into pixel components by a two-dimensional basis function of a discrete cosine transform, a discrete wavelet transform, or a discrete Fourier transform;
The imaging device, characterized in that the image generation unit generates a high-resolution image of the object to be imaged by solving a linear equation that estimates pixel components of the high-resolution image from the low-resolution image using an optimization problem.
前記符号化パターンで符号化された前記撮像対象物の像を前記符号化パターンより解像度が低い低解像度画像として取得する第1の低解像度画像取得ステップと、
前記符号化パターンを反転したパターンで符号化された前記撮像対象物の像を前記符号化パターンより解像度が低い低解像度画像として取得する第2の低解像度画像取得ステップと、
少なくとも、前記低解像度画像、前記第1及び第2の低解像度画像取得ステップにおけるリサンプリングの情報、及び前記符号化パターンから、圧縮センシングにより前記低解像度画像よりも高解像度の前記撮像対象物の像を生成する画像生成ステップと、
を備えることを特徴とする、撮像方法。 an encoding step of spatially intensity modulating an image of an object based on a coding pattern;
a first low-resolution image acquisition step of acquiring an image of the imaging object coded with the coding pattern as a low-resolution image having a resolution lower than that of the coding pattern;
a second low-resolution image acquisition step of acquiring an image of the object coded with a pattern obtained by inverting the coding pattern as a low-resolution image having a resolution lower than that of the coding pattern;
an image generating step of generating an image of the image capture object having a higher resolution than the low-resolution image by compressed sensing from at least the low-resolution image, resampling information in the first and second low-resolution image acquisition steps, and the coding pattern;
An imaging method comprising:
前記第1の低解像度画像取得ステップと前記第2の低解像度画像取得ステップは、符号化された前記撮像対象物の像と撮像部の画素の相対的な位置関係が互いに異なる状態で、それぞれ前記低解像度画像を取得することを特徴とする、撮像方法。
9. The imaging method according to claim 8,
an imaging method, characterized in that the first low-resolution image acquisition step and the second low-resolution image acquisition step each acquire the low-resolution image in a state in which the relative positional relationship between the encoded image of the object to be imaged and the pixels of the imaging unit is different from each other.
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